방열필러는 알루미나(Alumina)가 주류를 이루고 있다.
그러나 최근 5G(5세대 이동통신) 시대와 함께 높은 방열성에 대한 니즈가 확대되며 질화붕소(BN)에 대한 기대가 확대되고 있고 5G 서비스 보급을 통해 고기능화되는 영역과 전자소재가 계속 증가함으로써 필러 소재도 다양화되고 있다.
방열필러 생산기업들은 기존 소재의 고부가가치화는 물론 5G 시장을 중심으로 신규수요 창출에 총력을 기울이고 있다.
알루미나, 5G 시대의 핵심소재 부상
방열필러는 5G 시대가 본격적으로 시작되면서 급성장할 것으로 예상되고 있다.
2020년 시작과 함께 세계 각국을 강타한 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태로 재택근무가 일상화되고 제조현장을 더욱 효율화해
야 한다는 인식이 강화되면서 디지털 기술의 중요성이 확대되고 있으며, 2019년 시작된 5G 서비스 보급이 2020년 들어 빠르게 진전되면서 앞으로 대용량‧고속통신으로 연결된 디지털 사회가 본격적으로 자리를 잡게 될 것으로 예상되고 있다.
데이터 처리량이 늘어나는 가운데 방열기술에 대한 니즈가 확대되고 있고 방열시트나 그리스에 필수적으로 투입되고 있는 방열필러가 주목받고 있다.
방열필러는 예전부터 알루미나가 주로 투입되고 있으나 방열효과가 부족한 분야에서는 산화마그네슘이 채용되고 더 강력한 방열성을 요구하는 곳에서는 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 수요가 증가하고 있다.
5G 통신은 대용량이어서 발열량이 늘어날 수밖에 없고 예전보다 더욱 철저한 방열 설계가 요구되고 있다.
방열성 향상을 위해서는 열전도성이 높은 필러를 얼마나 높은 수준으로 충진할 수 있느냐가 중요하며 방열시트와 방열그리스 등 방열제품은 방열지표를 높이기 위해 방열필러의 투입량과 질을 고심하고 있다.
필러는 원형이기 때문에 유동성이 높고 고충진이 용이한 것으로 파악되고 있다.
크기가 서로 다른 필러를 적절하게 조합해 최고로 밀집된 충진 구조를 완성하는 것이 관건이며 시트로 제조할 때는 CPU(중앙처리장치) 등 열원과 히트싱크 사이에 끼워넣어 사용하기 때문에 유연성, 압축률 등을 최적화할 필요성이 제기되고 있다.
저가에 방열성을 보유하고 있는 알루미나는 표준적인 방열필러로 사용되고 있다.
질화물계 필러는 알루미나보다 열전도율이 뛰어나나 질화붕소는 형태가 비늘형이고 질화알루미늄은 흡수하기 쉽다는 과제가 있으며 산화마그네슘도 내구성 문제를 해결해야 하는 것으로 알려졌다.
용융법으로 제조한 알루미나는 구형으로 만들기 쉽고 시장에서도 취급이 용이한 구형 수요가 많은 것으로 파악되고 있다.
구형 알루미나 메이저 덴카(Denka)는 구형을 중심으로 글로벌 시장을 리드하고 있고 다양한 라인업을 갖추었다는 강점을 활용해 영향력을 확대하고 있다.
구형 알루미나는 5G 통신용 수요 뿐만 아니라 전기자동차(EV)의 LiB(리튬이온전지) 주변 그리스 용도에서도 투입량이 증가하고 있다.
입경‧형상 종류에 따라 차별화 박차
방열필러는 알루미나부터 산화마그네슘, 질화규소, 질화붕소를 사용하고 있고 모두 구형으로 제조하는 것이 가능하며 최근에는 표준제품인 구형 알루미나를 통해 구축해온 판로를 활용해 알루미나보다 방열성이 뛰어난 다른 필러 공급을 적극화하고 있다.
필러 뿐만 아니라 알루미나가 혼합된 스페이서나 질화규소 기판, 분말을 통해 자체 생산을 실현한 질화알루미늄 등 다운스트림 라인업도 확충하고 있다.
필러를 구형으로 제조하면 유동성이 높아지고 고충진이 용이한 장점이 있으나 필러끼리 접촉하기 때문에 열전도 패스를 잘 연결하는 작업이 중요한 것으로 알려졌다.
방열시트의 방열성은 내부의 방열필러가 접점을 가지고 있고 열을 서로 전달할 때 성립되는 것이기 때문에 필러끼리 닿는 면을 넓히는 것이 요구되고 있다.
알루미나 생산기업들은 형상, 입경 라인업을 다양하게 갖추고 있으며 방열시트 생산기업들은 다양한 필러를 블렌딩해 최적화된 방열 설계 완성에 주력하고 있다.
쇼와덴코(Showa Denko)는 구형‧환형‧과립형 등 3가지 형태로 알루미나 필러를 공급하고 있으며 모든 종류에서 시장점유율 1위를 달리고 있고 가장 밀접하게 충전시키기 위해 3가지 형태의 필러를 서로 다른 사이즈로 투입해 높은 방열성을 실현시키고 있다.
최근에는 인공지능(AI)을 활용해 구형 알루미나를 대상으로 자동 품질검사를 실시하고 있다. AI가 자동으로 판단하는 화상 해석 시스템을 개발했고 후지(Fuji) 공장에 도입하는 방안을 검토하고 있다.
고순도 알루미나 분야에서 차별화를 도모하고 있는 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 일본에서 유일하게 고순도제품을 공급하고 있다.
독자적인 알콕사이드(Alkoxide) 공법을 채용해 순도 99.99%(4N)를 완성했고 프랑스 바이코스키(Baikowski), 독일 사솔(Sasol)과 함께 글로벌 고순도 알루미나 시장을 3분하고 있다.
고순도 알루미나는 순도가 높은 결정입자이기 때문에 범용 알루미나보다 방열성이 높고 결정입자로 표면을 면 구조로 만들 수 있어 면 접촉을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 불순물이 적고 입자 제어가 용이한 것도 강점으로 파악되고 있다.
높은 입자제어 기술을 활용해 최근에는 입경이 0.1마이크로미터에 불과한 극소필러와 100마이크로미터 이상인 극대필러 개발에 성공했다.
흔치 않은 사이즈이기 때문에 새로운 방열 설계를 제안하거나 신규시장을 개척할 때 유리할 것으로 기대하고 있다.
방열시트는 서로 다른 사이즈의 입경을 조합하는 것이 일반적이며 큰 사이즈 70%, 중‧소형을 15%씩 섞어 최고로 밀집된 충진 구조를 만들면 최적화된 열전도 패스를 형성하는 것이 가능하다.
극소필러는 기존 입경 0.5마이크로미터 수준의 소형 필러로는 채울 수 없던 협소한 곳에 주입하면 충진 구조를 더욱 밀접하게 만들 수 있고, 극대필러는 두꺼운 방열시트에 유용할 것으로 판단하고 입경 100마이크로미터 이상의 신규시장을 창출해나갈 방침이다.
일반적으로는 여러 필러를 거쳐 열전도 패스를 만들고 있으나 극대필러를 사용하면 경유 횟수를 줄일 수 있어 방열 낭비를 감축할 수 있을 것으로 기대하고 극소필러와 함께 2021년 상업화를 목표로 하고 있다.
산화마그네슘, 내수성‧유동성 문제 해결 “총력”
산화마그네슘은 알루미나 다음으로 방열성이 높고 필러로 제조했을 때 부드럽다는 특성을 가지고 있어 5G 시대의 방열필러로 주목받고 있다.
산화마그네슘 필러 생산기업들은 5G 분야에서 알루미나를 대체할 수 있도록 내수성, 유동성 과제를 해결하고 있다.
산화마그네슘은 알루미나보다 방열성이 우수하고 필러가 부드러워 시트로 절단할 때 가공 기계에 손상을 입히지 않는 강점이 있지만, 흡습성이 높고 구형 알루미나보다 유동성이 떨어지는 문제가 부각되고 있다.
관련기업들은 필러 설계단계에서 다양한 아이디어를 반영함으로써 충진율을 높이는 것은 물론 점도 상승을 억제하는 방식으로 산화마그네슘의 한계를 극복하고 있다.
덴카는 강점을 갖추고 있는 구형화 기술로 구형 산화마그네슘을 제조했으며 알루미나를 대체하는 용도나 알루미나와 함께 사용하는 분야에 공급하고 있다.
산화마그네슘 분야에서는 후발주자이지만 구형 알루미나 분야에서 축적해온 압도적인 판매망을 활용해 2020년부터 5G 분야에서 채용실적을 쌓아가고 있다.
우베머터리얼즈(Ube Materials)는 일본에서 유일하게 산화마그네슘 클링커를 공급하고 있으며 산화마그네슘 공급이 안정적이라는 강점을 활용해 구형 알루미나보다도 낮은 가격에 공급하고 있다.
산화마그네슘은 일반적으로 활성이 높고 흡수 후 팽창되는 문제가 있으나 우베는 섭씨 약 2000도의 고온 소성을 거쳐 결정을 크게 만드는 과정을 통해 필러의 반응성 저감에 성공했다.
독자적인 표면 처리기술도 조합해 내수성이 높은 산화마그네슘을 공급하고 있으며, 5G 뿐만 아니라 우수한 코스트 경쟁력을 활용할 수 있는 범용 분야에서도 알루미나 대체를 목표로 제안을 확대하고 있다.
해수와 석회를 원료로 제조하고 있어 환경에 미치는 부하가 적다는 점도 강조하고 있다.
고노시마화학(Konoshima Chemical)은 무수탄산산화마그네슘을 통해 차별화를 도모하고 있다.
무수탄산산화마그네슘은 내수성이 뛰어나고 일반 산화마그네슘보다 더 부드러운 것이 특징이며 최근에는 내열 EP(엔지니어링 플래스틱)의 첨가제 용도로 투입하면서 혼연기에 흠집을 내지 않는 점이 좋은 평가를 받고 있다.
자동차 탑재용 기판 접착시트와 충진장치 부품에도 채용됐으며 앞으로 자동차용 방열 절연시트와 모터 관련부품 용도에서도 채용실적을 거두는 것을 목표로 하고 있다.
신규 그레이드로 유사 구형과 방추형을 개발했으며, 특히 방추형은 방열 이방성과 강도 향상에 도움이 되는 것으로 평가되고 있다.
앞으로 구형도 개발할 방침이며 일반 산화마그네슘도 입경이 1마이크로미터인 미립필러로 제조해 차별화에 박차를 가할 방침이다.
